增强氧空位提升Ag-MOF/CuO纳米片异质结构电催化还原CO2制C2H4性能

推荐 为提高电化学CO2还原反应（CO2RR）中多碳（C2+）产物选择性，研究人员设计了一种含银（Ag）和Ag金属-有机框架（Ag-MOF）的CuO纳米片催化剂。结果表明，Ag-MOF/CuO NS在?1.1 V（vs RHE）时，乙烯（C2H4）法拉第效率（FE）达45.72%，显著高于其他对比样品，对CO2转化为高附加值化学品意义重大。

　　

论文解读

在当今全球气候变化的大背景下，减少温室气体排放并生产高附加值化学品成为科研领域的关键课题。其中，电化学CO₂还原反应（CO₂RR）作为一种将二氧化碳转化为有用化学品的有效途径，备受关注。然而，在CO₂RR过程中，将二氧化碳转化为多碳（C₂₊）产物时，其选择性较低，这严重限制了该技术的实际应用和推广。因此，开发高效的电催化剂以促进二氧化碳向有价值的化学产品转化成为当务之急。

为此，国内的研究人员开展了相关研究。他们设计并合成了一种CuO纳米片催化剂，该催化剂由银（Ag）和Ag金属 - 有机框架（Ag-MOF）组成，采用水热法制备而成。通过一系列实验和分析，研究人员对这种催化剂的性能进行了深入探究。

在研究过程中，研究人员运用了多种关键技术方法。首先，采用X射线衍射（XRD）技术对CuO NS基异质结构进行了详细的晶体结构分析，通过与标准卡片对比，确定了CuO的晶体结构以及Ag/CuO异质结构中银的晶体平面。其次，利用扫描电子显微镜（SEM）和透射电子显微镜（TEM）观察了催化剂的形貌和微观结构，直观地展示了Ag-MOF/CuO NS的形貌特征。再者，通过X射线光电子能谱（XPS）分析了催化剂表面的元素组成和化学状态，深入了解氧空位的形成和作用机制。最后，采用电化学工作站进行电化学性能测试，包括线性扫描伏安法（LSV）、塔菲尔曲线（Tafel）、电化学阻抗谱（EIS）等，全面评估了催化剂在不同条件下的电化学性能。

研究结果显示，CuO NS、Ag/CuO NS和Ag-MOF/CuO NS异质结均通过水热法制备用于电化学CO₂还原为C₂₊产物。XRD分析表明，CuO具有单斜结构，与参考卡#72 - 0629匹配，而Ag/CuO异质结构显示出额外的银晶面（200）、（220）和（311）。在电化学性能测试中，以CO₂饱和的0.5 M KHCO₃为电解质，在三电极H型电池中进行CO₂还原反应的优化。产物通过气相色谱和¹H核磁共振（NMR）技术进行分析，在气相中检测到H₂、CO、CH₄、C₂H₄和C₂H₆，液相中有少量甲酸出现。Ag-MOF/CuO NS催化剂在?1.1 V（vs RHE）时表现出优异的催化活性，乙烯（C₂H₄）的法拉第效率（FE）达到45.72%，远高于CuO NS的31%和Ag/CuO NS的14.24%。同时，该催化剂还表现出较高的电流密度（32 mA cm^?2）。此外，通过原位XPS和拉曼光谱等表征手段，深入研究了反应过程中催化剂的结构演变和活性位点的变化。结果表明，Ag-MOF的引入增强了CuO的电子结构调控能力，促进了CO₂分子的吸附和活化，同时氧空位的增加为C–C耦合提供了更多的活性位点，有利于多碳产物的生成。

研究结论表明，Ag-MOF/CuO NS异质结构催化剂在电化学CO₂还原反应中表现出优异的性能，具有较高的乙烯选择性和电流密度。其高选择性主要归因于Ag-MOF与CuO之间的协同作用，Ag-MOF不仅提高了催化剂的比表面积，增强了CO₂的吸附能力，还通过引入氧空位增加了活性位点的数量。同时，Ag-MOF与CuO之间的电子相互作用优化了Cu的价态，有利于C–C耦合反应的进行，从而促进了多碳产物的生成。该研究为开发高效、稳定的电催化剂用于CO₂RR提供了新的思路和方法，对减少温室气体排放和实现可持续能源发展具有重要意义。在未来的研究中，可以进一步优化催化剂的制备工艺，提高其稳定性和活性，同时探索其在实际工业生产中的应用潜力。此外，还可以深入研究催化剂的反应机理，为设计更高效的电催化剂提供理论依据。